宝北区块构造应力场模拟及裂缝预测

王红坤，马家虎，梁杰锋，王海涛，张 云，杨瑞莎

（1.中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南郑州 450018；2.延长油田股份有限公司勘探开发研究中心，陕西延安 716000；3.中国石化勘探开发研究院，北京 100083）

随着油气开发技术的进步，致密砂岩油气的勘探和开发已经变得越发重要。前人的研究成果表明，裂缝的存在使致密储层变得更加复杂，常规储层的研究方法已经无法满足勘探开发的需求。裂缝作为致密储层中油气的运移通道和储集空间，决定了油气的分布规律和特征，进而对开发效果有重大的影响[1–2]。

目前，国内外对裂缝的研究方法主要有综合地质分析法、测井分析法、地震预测法、构造曲率分析法和构造应力场数值模拟法等[3]。由于综合地质分析法和测井分析法需要昂贵的测试费用，且测试资料具有一定的局限性；地震预测法主要用于定性的描述，往往无法满足定量分析的需求；构造曲率分析法对于不同岩性地层的变形和破裂特征方面存在一定缺陷；有限元数值方法结合实际地质因素来描述预测裂缝已越来越引起人们的重视。采用有限元的构造应力场数值模拟是数学、力学和地球科学等多学科的综合，该方法可以对裂缝分布进行较准确预测[4–7]。在我国，构造应力的概念是由地质学家李四光提出，地层中各种形态的构造是构造应力的直接表现。按形成时间，构造应力可以分为古构造应力和现今构造应力。古构造应力是指地质历史时期的构造应力，可以由观测到的褶皱、断层、裂缝等宏观变形确定；现今构造应力是古构造应力的延续，指目前正在活动的构造应力。

宝北区块是一个在压扭性应力和局部剪切应力场中形成的背斜构造，背斜区块内断层和裂缝较为发育，储层裂缝发育特征一直是困扰宝北油藏注水开发的难点，直接影响砂体的连通和油水分布情况[8]。

1 地质概况

1.1 区域构造概况

焉耆盆地由北部的和静坳陷、中部的焉耆隆起和南部的博湖坳陷三部分组成。其中，博湖坳陷可划分为南部凹陷、种马场断裂低隆起和北部凹陷。根据构造和地貌特征，可将博湖坳陷北部凹陷进一步划分为“两个向斜带和两个背斜带”，即四十里城向斜带、七里铺向斜带、宝浪苏木背斜构造带和本布图背斜构造带。宝北区块位于宝浪苏木背斜构造带的北部，是一个北西–南东向展布、两翼非对称的弯曲长条状高陡背斜构造（图1）。

图1 宝北区块及邻区区域构造位置

1.2 区域构造演化

焉耆盆地是一个存在复杂演化史的叠合盆地，宝北背斜作为其中的一个构造隆起，经历了复杂的构造运动，主要的两次为燕山运动和喜山运动。燕山运动导致研究区构造应力场由张拉作用为主转变为挤压作用为主，挤压作用方向由南向北，是控制盆地构造发育的主导因素，在挤压作用下，盆地自南向北发生了大规模的逆冲推覆，形成了种马场冲断背斜构造带，使博湖坳陷内部构造幅度增大，南北凹陷分割更为明显，随着逆冲推覆活动的加剧，盆地内扭压应力场更加强烈，强烈的扭压作用使盆地南北两侧规模较大的断裂发生了程度不同的左行扭动，宝北背斜构造雏形正是在这种逆冲、挤压、褶皱和左行扭曲的综合作用下形成的。喜山运动期，盆地中心下降、周围隆升，进入不稳定的坳陷阶段，全面接受了与下伏地层角度不整合的新生界沉积；喜山运动进一步加大了宝北区块的构造幅度，加剧了小规模断层的活动，这些小规模断层在平面上表现为雁行式展布、与宝北焉南断裂小角度斜交或者平行，并且数量较多，同时，强烈的变形和揉皱等现象在新生断层附近发生，宝北区块进入了同沉积背冲挤压阶段，宝北背斜构造更加复杂并最终 定 型[9–10]。

1.3 断层发育特征

宝北区块主要发育逆断层，总体上呈北西走向，断面呈弯曲或平直状，宝北构造北东界F1断层为北东掉南西倾的逆断层，倾角62°，自南西向北东冲断。以背斜核部为界的东部，各断层产状与F1断层相近，均为北东掉南西倾的逆断层；核部以西为南西掉北东倾向的逆断层，倾角为52°～67°；两侧断层相向倾斜，大体呈背冲对称式几何形态。结合区域宏观分析可知，北东翼的F1断层是边界逆冲断层，南西翼的F15、F16和F17断层是主要的反冲断层，这种冲起构造断裂组合符合滑脱逆冲推覆构造的特点，研究区发生逆冲推覆的方向为南西–北东向[11]（图2）。

图2 宝北区块断层左阶雁列与右阶雁列分区特征

2 裂缝发育特征

裂缝是致密砂岩储层主要的储集空间和渗流通道，裂缝发育部位的确定是找到优质储层的关键[12–13]。不同期次的构造裂缝具有不同的特征，根据构造演化过程，宝北区块构造裂缝大体可分为两期，分别为燕山期和喜山期：燕山期决定了构造裂缝分布的大致范围，主要发育高角度裂缝；喜山期的构造裂缝大多是在原有裂缝的基础上延伸并改造，部分是受构造和沉积综合影响的低角度裂缝。据观察，裂缝发育的取心井主要集中在背斜轴部和断层发育的部位，背斜西南部构造较平缓且断层不发育，取心井观测均未发现裂缝。裂缝主要可以分为剪切裂缝、张性裂缝和挤压裂缝。剪切裂缝的缝面具有明显的擦痕，具有一定的走向，位移明显，延伸规模较大，一般与构造局部的挤压及剪切应力场有关，剪切缝在该区普遍存在，占比约为67.5%（图3a、3b）；张性裂缝局部或全部被充填，缝面有浸染痕迹，一般与构造局部的拉张应力场有关，占比约为28.5%（图3c）；挤压裂缝同时具有张性裂缝和剪切裂缝的特征，故又称作张剪裂缝，开度小、走向不具有规律性，一般与构造局部的挤压应力场有关，占比约为4.0%（图3d）。

图3 宝北区块储层裂缝特征岩心观察

2.1 裂缝密度

通过对9口取心井的岩心观测对裂缝进行统计（表1），结果表明，不同取心井观测到的裂缝发育程度差别较大，裂缝密度0.72～60.51条/m。

表1 目的层裂缝密度统计

2.2 裂缝倾向和倾角特征

针对宝北区块切层裂缝的倾向和倾角进行了统计分析，结果表明：①裂缝倾向主要集中在北东、南东和南西三个方向上，北西倾向的裂缝发育较少（图4）；②裂缝倾角分布范围较广，从10°～85°均有发育，主要集中在40°～70°（图5）。

图4 宝北区块切层裂缝倾向玫瑰花图

图5 宝北区块切层裂缝倾角玫瑰花图

3 应力场模拟

3.1 三维有限元模型

模型范围：模型范围选择宝北区块6 000 m×2 400 m的矩形区域，矩形区块以南偏东50°（褶皱轴迹方向）为X轴正向，Y、Z方向做相应转换。

模型分层：宝北区块目的层可划分为3个油组，3个油组间由2套煤层隔开，每个油组又可细分为2个小层，冲起构造发生期间的上覆地层厚度考虑为300 m，基底地层可分为两个地层单元。

模型断层系统：模型范围内不同规模断层共计17条，断层水平距离15～25 m。为考虑断层面活动对构造应力场的影响，断层面作为弱介质[14]。

三维有限元模型共划分为15 636个单元和14 564节点。

3.2 岩石力学参数

岩石物理力学参数主要包括：岩石密度、岩石的抗张强度、抗压强度、岩石的弹性模量、泊松比等，岩石的这些力学性质决定着在原始应力场中储层的形变和储层裂缝特征。宝北区块砾岩、细砂岩和变质岩性岩类的岩石物理力学性质测试结果见表2[15–16]。

表2 宝北区块岩石物理力学性质测试分析结果

3.3 边界条件与载荷

模型边界条件：①褶皱北翼施加位移平行于褶皱轴迹的位移约束；②东北端施加垂直于褶皱轴迹的位移约束；③基地单元底部施加Z向约束。

载荷：①南翼施加位移载荷，模拟挤压作用形成的构造应力场；②东南翼施加较弱的位移载荷，模拟东南端的压扭作用；③整个地质体施加重力载荷，模拟地壳沉积岩层所具有的静岩压力。

3.4 应力场模拟结果

目的层最大主压应力主要分布在–213～–308 MPa（负号表示压应力），断裂带内部最大主压应力值相对较低，为相对薄弱区。这些区域的岩石破碎程度较高，裂缝发育程度较高；而在构造相对平缓的区域，最大主压应力值相对较高。在褶皱轴部部位和断层带附近，最大主压应力出现较大差异，这是因为，褶皱带内部是所谓的“强硬区”，这些区域的岩石受力发生了一定程度的变形但是没有发生破裂，这些岩石会处于“临界破裂状态”，应力无法释放，表现为应力高值[17]。在褶皱东南端部位和F1、F4、F17、F18断层两侧应力值差异较大，就是这个原因造成的，对于研究区其他小规模断层而言，断层两侧的应力差异相对较小（图6a）。

目的层中间主压应力主要分布在–138～–214 MPa，主要由岩石静岩压力及地应力围压引起，其应力值分布主要受地层埋深及密度的影响，同样受褶皱和断层的影响。最小主压应力在褶皱轴部、断裂带和断裂带附近发生异常（图6b）。

目的层最小主压应力主要分布在–41～–116 MPa，主要由岩石静岩压力及地应力围压引起，应力值分布主要受地层埋深及密度的影响，同样受褶皱和断层的影响。最小主压应力在褶皱轴部、断裂带和断裂带附近发生异常。在逆冲断裂带上盘最小主压应力较高，而在下盘最小主压应力相对较低（图6c）。这是由于断裂带在挤压应力作用下发生逆冲，在上盘，断层带向上的逆冲而会导致垂向应力的集中和升高。

目的层最大剪应力主要分布在64～130 MPa，其应力值分布也同样受局部褶皱和断层的影响，低应力区域主要分布在褶皱轴部和断裂带附近（图6d）。

图6 宝北区块目的层应力平面等值云图

4 预测裂缝

宝北区块目的层同时发育张性裂缝、剪切裂缝和挤压裂缝等多种类型构造裂缝，因此，采用综合破裂率（IF）来表示研究区目的层裂缝的发育程度：当IF≥1时，认为岩石达到破裂状态，IF值越大，岩石破裂程度越大。该方法进行预测时综合考虑了张性裂缝准则和剪切裂缝准则，其中，张性裂缝破裂准则采用修正的三维Griffith准则，剪切裂缝破裂准则采用Mohr–Coulomb准则。计算时，挤压裂缝归属为剪切裂缝[18]。

综合破裂率IF定义为：IF=AIt+BIτ

式中：A为张性裂缝在所有构造缝中所占的比例，%；B为剪切裂缝在所有构造缝中所占的比例，%；It为张性裂缝破裂率，无量纲；Iτ为剪切裂缝破裂率，无量纲。

通过该方法对宝北区块构造裂缝进行预测，预测结果显示，综合破裂率值基本分布在3以内，裂缝发育位置（IF≥1）可以大致分为两大区域：①背斜轴部西北段条带状区域，在该区域，沿着褶皱轴迹形成一个成长条形的裂缝高发育带；②背斜南东段扇状区域，该区域褶皱轴迹发生扭转，产生强烈的局部应力场作用，导致岩石破裂、应力释放，应力释放所伴生的天然裂缝也十分发育（图7）。

图7 宝北区块目的层综合破裂率预测分布

通过综合破裂率分布图和岩心裂缝观测裂缝密度对比发现，虽然在综合破裂率小于1的区域也发现了裂缝的存在，但是，裂缝比较发育的岩心均位于综合破裂率值较高的区域，综合破裂率与岩心观测裂缝密度具有较好的正相关关系（图8）。

图8 宝北区块目的层综合破裂率和裂缝密度关系

5 结论

（1）宝北区块构造裂缝主要为剪切缝、张性裂缝和挤压裂缝。裂缝倾向主要集中在北东、南东和南西三个方向上，裂缝密度为0.72～60.51条/m，发育裂缝的取心井主要集中在背斜轴部和断层发育的部位。

（2）通过三维有限元法对目的层古应力场分布特征的研究表明，地应力的分布主要受控于褶皱及断层。

（3）考虑到目的层裂缝同时具有张性裂缝和剪切裂缝的特点，利用修正的三维Griffith张性裂缝破裂准则和Mohr–Coulomb剪切裂缝破裂准则，通过综合破裂率对宝北区块的裂缝发育程度进行定量预测，预测结果和岩心观测裂缝密度具有较好的正相关关系。